順北4 井抗高溫高密度鉆井液技術(shù)應(yīng)用

苗文靜，宋曉勇

（中國(guó)石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州 450000）

順北4 井是部署在塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，順北Ⅳ號(hào)斷裂帶的一口重點(diǎn)探井，完鉆井深為8 270 m。本井為超深井，井底溫度達(dá)到170 ℃以上，井底溫度高，在高溫下維護(hù)鉆井液穩(wěn)定性難度大，大斜度定向段鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性要求較高，同時(shí)對(duì)隨鉆測(cè)斜儀器抗高溫要求高。

1 地質(zhì)工程簡(jiǎn)況

1.1 地質(zhì)概況

順北4 井是塔里木盆地塔中北坡順托果勒低隆，順北Ⅳ號(hào)斷裂帶的一口重點(diǎn)探井，完鉆井深為8 270 m。新生界、白堊系上部地層成巖差，鉆速快，要求鉆井液有很好的攜巖洗井能力和維護(hù)井壁能力，注意防止垮塌及卡鉆；下部地層易滲漏縮徑；泥巖吸水膨脹剝落掉塊、甚至垮塌，要求鉆井液具有強(qiáng)的抑制能力和防塌能力；自卻爾卻克組地層以下普遍存在異常高壓，奧陶系一間房組、鷹山組裂縫可能發(fā)育，容易發(fā)生井漏、垮塌等，深部地層巖石壓實(shí)程度高，地層可鉆性差，機(jī)械鉆速低。對(duì)鉆井液性能要求較高，要嚴(yán)格控制鉆井液密度、排量、泵壓等鉆井參數(shù)。本井為超深井，井底溫度將達(dá)170 ℃以上，井底溫度高，在高溫下維護(hù)鉆井液穩(wěn)定性難度大。井壁掉塊嚴(yán)重，阻卡頻繁，對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性要求較高，同時(shí)對(duì)隨鉆測(cè)斜儀器抗高溫要求高。建議使用高溫高密度聚磺混油鉆井液體系，該體系的抗高溫性能和潤(rùn)滑性能確保井下安全順利。

1.2 工程概況

裂縫發(fā)育的卻爾卻克組極易出現(xiàn)井漏和井壁失穩(wěn)。加強(qiáng)鉆井液的高溫高壓失水控制及提高封堵性，防止因失水大、擠進(jìn)裂縫，造成掉塊剝落垮塌。井下失穩(wěn)、鉆進(jìn)蹩扭頻繁、通井處理困難。井下溫度高，鉆頭有因高溫淬火變色的現(xiàn)象。六開井深井口鉆具負(fù)荷大。裸眼段井眼尺寸和環(huán)空間隙小易造成鉆具磨損（表1）。井眼軌跡反復(fù)降斜增斜不平滑，個(gè)別點(diǎn)易疲勞磨損，且底部鉆具抗扭強(qiáng)度低。井下高溫高壓的環(huán)境對(duì)定向儀器的要求特別高，極易出現(xiàn)故障。

表1 順北4 井井身結(jié)構(gòu)表

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及措施

（1）奧陶系卻爾卻克組主要發(fā)育灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r和火成巖侵入體?；鸪蓭r侵入體膠結(jié)性差，應(yīng)力大，易坍塌；與砂泥巖地層交界面間發(fā)育微裂縫，發(fā)生井漏的風(fēng)險(xiǎn)較高。鉆進(jìn)該地層前，調(diào)整好鉆井液性能，提高隨鉆封無堵和防塌性能，控制API 失水≤4 mL，HTHP 失水≤10 mL，加入多功能隨鉆堵漏劑，補(bǔ)充瀝青類防塌劑，確保鉆井液的封堵防塌能力，強(qiáng)化井眼穩(wěn)定性。

（2）建議使用1.80 g/cm3以上鉆井液揭開火成巖侵入體，視井內(nèi)情況逐步調(diào)整鉆井液密度[1-2]，使用合理的鉆井液密度平衡火成巖侵入體地層的應(yīng)力，防止井壁發(fā)生坍塌。

（3）鉆進(jìn)火成巖侵入體過程中需進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井液抑制性，補(bǔ)充氯化鉀、多元共聚物降濾失劑等材料增強(qiáng)鉆井液抑制防塌能力。提高抑制性的同時(shí)要保證鉆井液的攜巖性能。

（4）深部地層溫度在170 ℃左右，地層溫度較高。務(wù)必要增強(qiáng)鉆井液的抗溫、耐溫能力。鉆井液實(shí)驗(yàn)要求在170 ℃熱滾48 h 后，常溫靜置24 h 上下無密度差；170 ℃靜置7 d 后無明顯固體沉降物，沉降系數(shù)≤0.54，保證鉆井液具有良好的流變性、抗溫及沉降穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 施工簡(jiǎn)介

第五開次由于地質(zhì)預(yù)測(cè)與實(shí)鉆差異大，發(fā)生了嚴(yán)重的井壁掉塊井內(nèi)情況復(fù)雜，共進(jìn)行了二次回填側(cè)鉆。第一次自7 180.00 m 鉆進(jìn)至7 499.06 m，水平位移92.28 m，回填側(cè)鉆。第二次自7 027.98 m 鉆進(jìn)至7 548.00 m，回填側(cè)鉆。第三次自7 100.00 m 鉆進(jìn)至五開中完井深7 777.00 m。鉆遇地層主要為卻爾卻克組和恰爾巴克組。第六開次自7 777.00 m 鉆至完鉆井深8 270.00 m，鉆遇地層為一間房組和鷹山組。

3.2 五開鉆井液技術(shù)措施要點(diǎn)

奧陶系卻爾卻克組存在大段深灰色泥巖，性脆，井壁穩(wěn)定性差，易水化剝落掉塊，使用的鉆井液體系為：聚磺混油鉆井液，需增強(qiáng)鉆井液的抑制性與防塌性能。在確保井控安全的前提下，要控制合理的鉆井液密度，預(yù)防大量漏失。根據(jù)五開地層特性及技術(shù)難點(diǎn)，制定鉆井液方案如下：

3.2.1 五開鉆井液基礎(chǔ)配方及主要處理劑 五開采用高溫高密度聚磺混油鉆井液體系的基本配方：2.5%～3.0%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+0.2%～0.3%抗氧化劑+5%～8%抗溫降失水劑+2%超細(xì)碳酸鈣+1%～3%非滲透劑+0.5%乳化劑+5%～7%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細(xì)碳酸鈣、稀釋劑、流型調(diào)節(jié)劑、低相對(duì)分子質(zhì)量降濾失劑。

小型實(shí)驗(yàn)配方：井漿+2%QS-2+3%SMP-2+3%SML-4+3%SPNH+2%SMC+0.5%PFL-H+0.5%LV-PAC+1%PB-1（表2）。

表2 小型實(shí)驗(yàn)與鉆井液實(shí)際性能對(duì)照表

3.2.2 五開鉆井液維護(hù)措施

（1）利用上開次井漿掃水泥塞，根據(jù)掃塞情況，向井漿中加入適量純堿。并放掉受水泥污染的井漿，最大限度清除水泥對(duì)鉆井液的污染。適量補(bǔ)充預(yù)水化好的膨潤(rùn)土漿和高濃度膠液，調(diào)整鉆井液性能，使之達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。

膠液配方：1%～2%磺化材料（磺化褐煤、褐煤樹脂、磺化酚醛樹脂Ⅰ型或磺化酚醛樹脂Ⅱ型）+0.2%～0.5%抗高溫抗鹽降濾失劑+0.5%聚陰離子纖維素+0.3%～0.5%高密度潤(rùn)滑劑+0.1%燒堿+1%～2%超細(xì)碳酸鈣+1%～2%抗高溫降濾失水劑。

（2）開鉆前調(diào)整密度不低于1.80 g/cm3，保證密度均勻，通過膠液補(bǔ)充降濾失劑、防塌劑、抑制劑等處理劑，膠液均勻補(bǔ)充至循環(huán)井漿中，保持鉆井液性能穩(wěn)定。

（3）鉆遇大段深層硬脆性泥巖，為提高鉆井液防塌抑制性，按配方加入30～50 kg/m3氯化鉀、5～10 kg/m3聚胺抑制劑、2～4 kg/m3聚丙烯酸鉀提高抑制性，采用抗高溫防塌劑、高軟化點(diǎn)瀝青防塌劑、微納米封堵劑復(fù)配超細(xì)碳酸鈣等封堵劑，加量不得低于30 kg/m3，保證鉆井液的抑制和防塌性能，能及時(shí)封堵微裂縫，防止泥巖水化造成剝落掉塊。

（4）嚴(yán)格控制鉆井液失水，API 失水控制在4 mL以內(nèi)，高溫高壓失水控制在10 mL 以內(nèi)。加入1%～2%超細(xì)碳酸鈣、1%～2%微納米封堵劑等改變泥餅質(zhì)量，使泥餅薄而韌；加入高效隨鉆封堵劑、單向屏蔽暫堵劑等隨鉆堵漏材料，可以實(shí)現(xiàn)提高地層承壓能力，起到防漏的效果。

（5）加大磺化類抗溫處理劑用量在50 kg/m3以上，同時(shí)加入磺酸鹽共聚物、聚陰離子纖維素、抗氧化劑等確保鉆井液體系抗溫性能。結(jié)合摩阻及起下鉆情況，適時(shí)補(bǔ)充高質(zhì)量潤(rùn)滑劑，確保鉆井液潤(rùn)滑性良好，降低摩阻，減少阻卡。

3.3 六開鉆井液技術(shù)措施要點(diǎn)

鉆遇地層為奧陶系一間房組和鷹山組，碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶洞、裂縫較發(fā)育，易發(fā)生漏失、溢流等復(fù)雜情況，切實(shí)做好井控安全工作。在井控安全的前提下，控制好鉆井液密度，預(yù)防惡性漏失。完鉆井深達(dá)8 270 m，根據(jù)順北4 井定向儀器數(shù)據(jù)，該井井底平均溫度為157 ℃左右，詳見表3。

表3 井下溫度測(cè)定表

優(yōu)選抗溫處理劑、抗高溫護(hù)膠劑，可輔以表面活性劑或抗氧化劑，加強(qiáng)鉆井液的抗溫、耐溫能力，維持良好的流變性。針對(duì)地層巖性特點(diǎn)及預(yù)測(cè)工程技術(shù)難點(diǎn)，制定鉆井液方案如下：

3.3.1 六開鉆井液基礎(chǔ)配方及處理劑 聚磺混油鉆井液體系的基本配方：2.5%～3.0%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+0.2%～0.3%抗氧化劑+5%～8%抗溫降失水劑+2%超細(xì)碳酸鈣+1%～3%非滲透劑+0.5%乳化劑+6%～8%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細(xì)碳酸鈣、稀釋劑、非滲透處理劑、單向壓力屏蔽劑、超細(xì)石灰石等。

小型實(shí)驗(yàn)配方：井漿+2%QS-2+3%SMP-2+3%SML-4+3%SPNH+2%SMC+0.5%PFL-H+0.5%LVPAC+2%PB-1（表4）。

表4 小型實(shí)驗(yàn)與鉆井液實(shí)際性能對(duì)照表

（1）按配方要求加入處理劑，調(diào)整鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，六開鉆進(jìn)過程中，及時(shí)補(bǔ)充原油及乳化劑，確保定向鉆進(jìn)順利。

（2）優(yōu)選抗高溫處理劑，為確保鉆井液具有良好的抗溫性能，磺化類材料加量在80 kg/m3以上。

（3）處理劑高溫降解及膨潤(rùn)土高溫減稠，均會(huì)造成pH 值下降。加強(qiáng)鉆井液pH 監(jiān)測(cè)，及時(shí)補(bǔ)充燒堿，控制pH≥10（具體加量以小型實(shí)驗(yàn)為依據(jù)）。

（4）加強(qiáng)鉆井液的日常監(jiān)測(cè)維護(hù)，儲(chǔ)層段務(wù)必增強(qiáng)鉆井液的常溫、高溫沉降穩(wěn)定性，要求170 ℃靜置72 h后無明顯固體沉淀物，沉降系數(shù)＜0.54；發(fā)生漏失后，吊灌漿性能應(yīng)與井漿性能一致，具有良好的流變性、抗高溫和沉降穩(wěn)定性能。

結(jié)論：對(duì)循環(huán)井漿高溫沉降測(cè)試結(jié)果表明（表5），井漿經(jīng)180 ℃老化后具有良好的沉降穩(wěn)定性能，SF＜0.54，滿足鉆進(jìn)對(duì)井漿沉降穩(wěn)定性的要求。

表5 沉降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3.2 六開鉆井液維護(hù)措施

（1）地質(zhì)預(yù)測(cè)順北4 井井底溫度高，須加強(qiáng)抗溫材料的補(bǔ)充，磺化類材料加量在80 kg/m3以上，抗鹽抗高溫稀釋劑在5～10 kg/m3，確保鉆井液的抗溫、耐溫能力，維護(hù)流變性能穩(wěn)定。

（2）優(yōu)選抗高溫性能良好的多元共聚物降濾失劑、磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂及抗鹽抗高溫稀釋劑等處理劑，保證鉆井液的抗高溫性能。

（3）根據(jù)實(shí)鉆情況及地震資料分析，鉆遇地層斷裂帶裂縫發(fā)育，鉆井液通過強(qiáng)化微納米封堵減小壓力傳導(dǎo)，嚴(yán)格控制失水降低水力尖劈效應(yīng)。

（4）開鉆前補(bǔ)充1.5%超細(xì)碳酸鈣（1 200 目）+1.5%超細(xì)碳酸鈣（2 500 目）+1%～3%高溫高壓屏蔽劑（軟化點(diǎn)165～170 ℃）+1%～3%高軟化點(diǎn)陽(yáng)離子乳化瀝青（軟化點(diǎn)165～170 ℃）。

（5）控制HTHP 失水≤10 mL，初失水≤1.0 mL（初失水指測(cè)定HTHP 失水時(shí)，溫度到達(dá)測(cè)試溫度后，打開底部閥桿瞬時(shí)收集的濾液體積），快速在破碎地層形成致密泥餅。

4 復(fù)雜井段技術(shù)難點(diǎn)及處理措施

4.1 大段硬脆性泥巖地層及灰?guī)r夾層

五開主要鉆遇奧陶系上統(tǒng)卻爾卻克組，地層巖性主要為厚灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖偶夾灰色泥灰?guī)r，地層易出現(xiàn)水化剝落垮塌掉塊。鉆井液密度調(diào)整至1.80 g/cm3左右，該地層存在一定的水化特性，鉆井液日常維護(hù)應(yīng)強(qiáng)化封堵，嚴(yán)格控制失水，降低因井漿抑制性不足、失水大造成水化剝落垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。鉆進(jìn)期間做好抑制、潤(rùn)滑、失水以及防塌性能維護(hù)工作。

4.2 破碎帶地層

針對(duì)在奧陶系卻爾卻克組下部7 512～7 592 m 可能鉆遇破碎帶，容易發(fā)生放空、井漏等復(fù)雜情況，提前準(zhǔn)備好堵漏漿，鉆井液中保證隨鉆堵漏材料的有效含量。并且鉆井液中提前加入0.5%～1.0%的除硫劑，預(yù)防萬一斷層貫通儲(chǔ)層，氣體上竄，氣體內(nèi)可能含有硫化氫，造成鉆具氫脆。

鉆遇破碎帶后鉆井液配方：4%～4.5%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%純堿+0.2%～0.3%抗高溫聚合物+5%～8%聚磺抗溫降失水劑+2%陽(yáng)離子磺化瀝青+0.5%高效抗高溫降失水劑+0.5%聚陰離子纖維素。

4.3 高壓高溫地層

地層溫度高，鉆進(jìn)過程中及時(shí)補(bǔ)充含磺酸鹽基團(tuán)降濾失劑、磺化材料、聚陰離子纖維素等處理劑，保持其有效含量穩(wěn)定。提高鉆井液高溫穩(wěn)定性，保持高密度鉆井液具有良好的流變性、抑制和潤(rùn)滑性能。依據(jù)地層特點(diǎn)，鉆井液應(yīng)“主封堵、輔抑制、嚴(yán)格控制濾失量”，并采用“少聚多磺”原則強(qiáng)化鉆井液抗溫能力。

聚磺混油鉆井液體系的基本配方：1.5%～2.5%膨潤(rùn)土+0.2%～0.3%純堿+0.2%～0.4%燒堿+2%～3%抗高溫降濾失劑+6%～9%抗溫磺化材料+2%～3%抗高溫鑲嵌成膜防塌劑+1%～2%高溫流型調(diào)節(jié)劑+0.5%～1.0%抗高溫護(hù)膠劑+2%～4%高酸溶儲(chǔ)保型封堵劑+1%～1.5%高密度潤(rùn)滑劑+4%～6%原油。

處理添加劑：抗氧化劑、超細(xì)碳酸鈣、非滲透處理劑、單向壓力屏蔽劑，石灰石加重劑等。

為保證良好的攜巖效果，及時(shí)補(bǔ)充土漿，保證返砂正常。優(yōu)選抗高溫性能良好的聚合物、磺化酚醛樹脂、褐煤樹脂等處理劑配成濃膠液，及時(shí)補(bǔ)充抗氧化劑、含磺酸鹽基團(tuán)處理劑、聚陰離子纖維素等，磺化材料加量在6%以上，確保鉆井液具有良好的抗溫性能。調(diào)整鉆井液pH 值大于11，加入足量除硫劑，防止硫化氫對(duì)鉆具和人員的損害。

5 施工效果評(píng)價(jià)

（1）順北4 井六開采用抗高溫高密度混油鉆井液體系。鉆井液維護(hù)以抗高溫為主，在井控安全的前提下，調(diào)整鉆井液流型，補(bǔ)充2%～3%高酸溶暫堵材料，未發(fā)生漏失。

（2）順北4 井在鉆井液中加入瀝青質(zhì)封堵防塌劑如FF-Ⅱ、SMNA-1、SPT-2、YK-H、FF-Ⅲ等，鉆井液性能穩(wěn)定，返出鉆屑顆粒大，棱角分明。

（3）順北4 井在抗高溫抗鹽降濾失處理劑的使用，SMP-1、SMC、PFL-H、PAC-LV、SML-4 等加入鉆井液后，降失水效果較好同時(shí)還能有效地改善泥餅質(zhì)量，形成致密而韌性的泥餅，鉆井液實(shí)驗(yàn)性能較為明顯。

（4）順北4 井六開共進(jìn)行8 趟鉆進(jìn)作業(yè)（包括4 趟定向+復(fù)合鉆進(jìn)、4 趟復(fù)合鉆進(jìn)）。定向糾斜及復(fù)合鉆進(jìn)期間，鉆井液性能穩(wěn)定，井壁穩(wěn)定，少見薄狀掉塊出現(xiàn)，占返砂量＜5%。8 趟起下鉆作業(yè)均無明顯掛卡及遇阻現(xiàn)象。鉆進(jìn)期間8 趟起下鉆作業(yè)無阻卡顯示，通井無明顯阻卡點(diǎn)、4 趟測(cè)井順利到底，表明井漿保持良好的高溫沉降穩(wěn)定性能，順利完成順北4 井六開鉆井液施工任務(wù)。